PENINGKATAN EFISIENSI SISTEM PEMANAS AIR KAMAR MANDI MENGGUNAKAN INJEKSI GELEMBUNG UDARA

Transkripsi

1 REKAYASA LAPORAN PENELITIAN HIBAH BERSAING PENINGKATAN EFISIENSI SISTEM PEMANAS AIR KAMAR MANDI MENGGUNAKAN INJEKSI GELEMBUNG UDARA Oleh : Ir. Sartono Putro, M.T. Ir. Jatmiko, M.T. DIBIAYAI DIREKTORAT PENELITIAN DAN PENGABDIAN MASYARAKAT DIREKTORAT JENDERAL PENDIDIKAN TINGGI KEMENTERIAN PENDIDIKAN NASIONAL RI DENGAN SURAT PERJANJIAN NOMOR: 316//SP2H/PP/DP2M/IV/2010 UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA OKTOBER 2010

2

3 RINGKASAN PENELITIAN Tujuan utama dari penelitian ini adalah: 1. Memperbaiki desain sistem pemanas air kamar mandi yang ada di pasaran dengan injeksi gelembung udara sehingga didapatkan desain sistem pemanas air kamar mandi baru yang memiliki efisiensi perpindahan kalor yang lebih besar yang mampu meminimalisasi konsumsi energi pemanasnya. 2. Sebagai salah satu upaya melakukan penghematan konsumsi energi tak terbarukan melalui peningkatan efisiensi alat. Adapun detail tujuan penelitian pada tahun kedua yaitu: 1. Mendapatkan prototype skala riil sistem pemanas air kamar mandi metode pool boiling yang paling efisien dengan memvariasi posisi dan penempatan pipa heater yang dikaitkan dengan variasi besar injeksi gelembung udara. 2. Mendapatkan prototype skala riil sistem pemanas air kamar mandi metode flow boiling yang paling efisien dengan memvariasi daya listrik sampai batas daya yang dimiliki pemanas air yang ada di pasaran merk Prime Lifestyle 3000 Watt yang dikaitkan dengan variasi besar injeksi gelembung udara. Penelitian ini menjadi penting saat harga energi listrik dan LPG semakin tinggi yang mana kedua energi ini merupakan sumber energi yang digunakan dalam sistem pemanas air kamar mandi. Keberhasilan penelitian ini dalam memperoleh desain sistem pemanas air kamar mandi yang efisien merupakan keberhasilan untuk mengurangi penggunaan energi tak terbarukan. Seperti diuraikan sebelumnya bahwa sistem pemanas air kamar mandi dengan energi listrik yang ada di pasaran bekerja dengan cara mengalirkan air pada sebuah tabung yang di dalamnya diberi heater berbentuk pipa. Untuk meningkatkan efisiensi perpindahan kalor dari heater ke aliran air dapat dilakukan dengan dengan dua cara yaitu meningkatkan efek turbulensi dan peningkatan luas permukaan kontak heater dengan aliran air. Penerapan modifikasi permukaan dalam saluran menggunakan sirip akan menimbulkan ii

4 masalah baru yaitu kesulitan pabrikasi yang akan menyebabkan konstruksi menjadi mahal. Hambatan lain dari modifikasi ini akan meningkatkan pressure drop yang menyebabkan peningkatan penggunaan energi untuk mengalirkan fluida kerja air. Adapun peningkatan efek turbulensi dengan memperbesar masa aliran air juga berakibat naiknya kebutuhan energi untuk menggerakkan pompa, disamping itu kebutuhan laju aliran masa dalam pemakaian juga relatif kecil Penelitian ini berupaya meninngkatkan efisiensi perpindahan kalor sistem pemanas air kamar mandi energi listrik dengan cara peningkatan turbulensi aliran air menggunakan injeksi udara dalam bentuk aliran gelembung. Alternatif ini merupakan hasil penelitian yang sudah dilakukan pengusul yaitu adanya informasi bahwa aliran gelembung pada pipa yang dipanaskan tanpa pendidihan mampu meningkatkan nilai koefisien perpindahan kalor tanpa disertai peningkatan pressure drop. Informasi ini belum pernah diterapkan pada sistem pemanas air kamar mandi, sehingga penelitian ini memiliki nilai novelty dan hasil penelitiannya berpotensi diupayakan HKI. Hasil pengujian model wáter heater metode pool boiling menginformasikan bahwa, dimensi, jumlah posisi heater dan penambahan injeksi gelembung udara berpengaruh terhadap kinerja pemanas air. Temperatur rata-rata air dalam tabung water heater terbesar didapatkan pada penggunaan tiga heater disusul empat heater dan heater tunggal. Kondisi ini berlaku pada pemanasan dengan debit penginjeksian 0 lpm sampai 3 lpm. Sedangkan pengujian model wáter heater metode flow boiling menginformasikan bahwa, penambahan injeksi gelembung udara mampu meningkatan selisih temperatur masuk air dan temperatur keluar air. Besarnya debit penginjeksian udara yang mampu menghasilkan selisih temperatur terbesar adalah 9 lpm, sedangkan peningkatan debit penginjeksian udara dari 0 lpm sampai dengan 6 lpm tidak membberikan peningkatan yang signifikan. Selisih temperatur T yang paling besar terjadi pada saat penggunaan penginjeksian udara dengan debit 9 lpm, yaitu sebesar 16,7 ⁰C pada waktu pengujian 20 menit. Sedangkan selisih temperatur T yang paling kecil terjadi pada penginjeksian udara 3 lpm yaitu sebesar 13,1 o C pada waktu pemanasan 12 menit. Adapun selisih penggunaan energinya sebesar 0,44 Watthaours. iii

5 PRAKATA Bismillahirrahmaanirrahim Penelitian tahun ke dua ini menguji water heater metode pool boiling dengan variasi posisi heater dikaitkan dengan variasi injeksi gelembung udara untuk mendapatkan desain dan besar injeksi gelembung udara yang optimal. Sedangkan pengujian water heater metode flow boiling dilakukan optimasi penggunaan daya sesuai batas daya yang dimiliki water heater Prime Lifestyle 3000 W yang dikaitkan dengan optimasi besar injeksi gelembung udara. Keberhasilan penelitian ini dalam memperoleh desain sistem pemanas air kamar mandi yang efisien merupakan keberhasilan untuk mengurangi penggunaan energi tak terbarukan. Dengan telah terlaksananya kegiatan ini, pelaksana kegiatan mengucapkan terimakasih kepada: 1. Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi melalui Direktorat Pembinaan Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat yang telah membiayai kegiatan ini. 2. Lembaga Penelitian dan Pengabdian pada Masyarakat Universitas Muhammadiyah Surakarta atas segala fasilitas dan bimbingan yang telah diberikan untuk suksesnya penyelenggaraan kegiatan ini. Menyadari akan keterbatasan pengetahuan dan pengalaman selama pelaksanaan kegiatan ini, maka laporan kegiatan ini masih belum sempurna. Untuk itu demi pengembangan dan penyempurnaan di bidang ini, pelaksana kegiatan mengharapkan saran dan kritik. Surakarta, 30 Oktober 2010 Pelaksana Kegiatan iv

6 DAFTAR ISI HALAMAN PENGESAHAN... RINGKASAN PRAKATA... DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR... DAFTAR LAMPIRAN... halaman i ii iv v vii viii ix BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang... 1 B. Perumusan Masalah... 2 BAB II STUDI PUSTAKA A. Penelitian Pendukung... 3 B. Landasan Teori... 5 C. Hasil yang Sudah Dicapai... 6 BAB III TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN A. Tujuan Utama... 8 B. Detail Tujuan... 8 C. Manfaat Penelitian... 8 BAB IV METODE PENELITIAN A. Bahan dan Peralatan yang Digunakan B. Desain Penelitian C. Pengujian Model Water Heater Metode Pool Boiling.. 12 D. Pengujian Model Water Heater Metode Pool Boiling 16 BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN A. Pengujian Model Water Heater Metode Pool Boiling.. 19 B. Pengujian Model Water Heater Metode Pool Boiling 24 BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan B. Saran v

7 DAFTAR PUSTAKA 28 LAMPIRAN 30 vi

8 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Hasil Pengujian Heater Lakoni Tanpa Injeksi Tabel 2. Hasil Pengujian Heater Lakoni dengan Injeksi Tabel 3. Hasil Pengujian Tiga Heater Tanpa Injeksi Tabel 4. Hasil Pengujian Tiga Heater dengan Injeksi Tabel 5. Hasil Pengujian Empat Heater Tanpa Injeksi Tabel 6. Hasil Pengujian Empat Heater dengan Injeksi 20 vii

9 DAFTAR GAMBAR halaman Gambar 1. Desain Penelitian Tahun Kedua 11 Gambar 2. Skema Instalasi Pengujian Water Heater Metode 12 Pool Boiling Gambar 3. Penempatan Termokopel dan Heater Lakoni 12 Gambar 4. Penempatan Termokopel dan Tiga Heater 13 Gambar 5. Penempatan Termokopel dan Empat Heater 13 Gambar 6. Dimensi dan Konstruksi Heater Tunggal 14 Lakoni Gambar 7. Dimensi dan Konstruksi Heater, Untuk Variasi Tiga dan Empat Heater 14 Gambar 8. Instalasi Pengujian Water Heater Metode 15 Pool Boiling Gambar 9. Skema Instalasi Pengujian Water Heater Metode Flow Boiling 16 Gambar 10. Skema Model Water Heater Metode 17 Flow Boiling Gambar 11. Model Water Heater Metode Flow Boiling 18 Gambar 12. Pengaruh Variasi Debit Udara (Q g ) Terhadap 21 Temperatur Waktu Pemanasan (t) Gambar 13. Pengaruh Variasi Debit Udara (Q g ) Terhadap Temperatur Energi Kebutuhan Water Heater (W) 21 Gambar 14. Pengaruh Variasi Debit Udara (Q g ) dengan 22 Temperatur Rata-rata Air (T f ) Gambar 15. Hubungan Koefisien Perpindahan Kalor (h tp ) 24 Konveksi Dua Fasa dengan Variasi Debit Udara (Q g ) Gambar 16. Hubungan Energi Kebutuhan Water Heater (W) dengan variasi Debit Udara (Q g ) Gambar 17. Hubungan Selisih Temperatur ( T) dengan Kebutuhan Waktu Pemanasan viii